光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充電控制研究①

黃英華 王良玉 韓 菲

(北京化工大學(xué)北方學(xué)院，河北三河 065201)

0 引言

當(dāng)前，充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)已成為世界各國(guó)政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。隨著光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展，光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高以及光電池制造成本不斷下降，各種新型太陽(yáng)能電池先后問(wèn)世。然而由于光伏發(fā)電的特殊性，目前應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中的蓄電池問(wèn)題最多，已成為最關(guān)注的焦點(diǎn)。其實(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)中所使用的儲(chǔ)能蓄電池基本都不是專門為光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，由于閥控密封式鉛酸(VRLA)蓄電池具有價(jià)格低廉、電壓穩(wěn)定、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能蓄電池。但在實(shí)際使用中，本來(lái)應(yīng)工作10～15年的VRLA蓄電池，大都在3～5年內(nèi)損壞，有的甚至僅使用不到1年便失效了，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)對(duì)損壞的VRLA蓄電池的統(tǒng)計(jì)分析得知:因充放電控制不合理而造成的VRLA電池壽命終止的比例較高。如VRLA蓄電池早期容量損失、不可逆硫酸鹽化、熱失控、電解液干涸等都與充放電控制的不合理有關(guān)［1］。另外，由于光伏電池受到當(dāng)?shù)鼐暥?、?jīng)度、時(shí)間、空氣狀態(tài)及氣象條件等各種因素的影響，輸出功率是隨溫度、光照強(qiáng)度等因素而不斷變化的。采用一般的充電控制策略很難達(dá)到在充分利用太陽(yáng)能電池板輸出能量的同時(shí)提高蓄電池使用壽命的目的。針對(duì)以上情況，本文采用三階段充電控制策略，設(shè)計(jì)了基于PIC16F877A單片機(jī)的中小型獨(dú)立光伏系統(tǒng)蓄電池充放電管理系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏系統(tǒng)中儲(chǔ)能部分主要有蓄電池、充放電主電路、控制器構(gòu)成，如圖1。蓄電池是獨(dú)立光伏系統(tǒng)中的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，儲(chǔ)存能量為負(fù)載提供可持續(xù)的供電電源，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起至關(guān)重要的作用。充電主電路為DC/DC變換電路，控制器選用美國(guó)Microchip公司的PIC16F877A單片機(jī)為核心，通過(guò)控制DC/DC變換器的直流電壓和電流的輸出值，來(lái)達(dá)到對(duì)電流或電壓不同目標(biāo)的控制，實(shí)現(xiàn)不同策略的充電控制。

圖1 光伏系統(tǒng)中儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)圖

圖2 光伏充電器主電路圖

2 主電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)選取

充電主電路要求能夠通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的占空比而改變光伏電池的工作點(diǎn)，完成蓄電池三個(gè)階段的充電。主電路采用Buck變換電路，由輸入濾波電容C1、功率開(kāi)關(guān)管G、續(xù)流二極管D1、防反充大功率二極管D2、輸出濾波電感L、輸出濾波電容C2構(gòu)成，如圖2所示。其中與光伏陣列并聯(lián)的濾波電容C1為斬波器產(chǎn)生的高頻電流提供通路，確保太陽(yáng)能電池保持近似穩(wěn)態(tài)電流輸出［2］。

考慮到容量與頻率等因素，系統(tǒng)主電路的開(kāi)關(guān)管選擇IR公司的IRFP150N。其中，濾波電感的選擇是要盡可能濾除高次諧波分量，提高輸出波形質(zhì)量，濾波電感的高頻阻抗與濾波電容的高頻阻抗相比不能過(guò)低，即濾波電感的感值不能太小。為滿足輸出波形質(zhì)量，要求一個(gè)采樣周期中，電感電流的最大變化量小于允許的電感電流紋波ΔILfmax。濾波電容的作用是和濾波電感一起濾除輸出電壓中的高次諧波，從而改善輸出電壓的波形，濾波電容越大輸出電壓的THD值越小。濾波電容的選取原則是在保證輸出電壓的THD值滿足要求的情況下，取值盡量小。同時(shí)應(yīng)盡可能使用高頻特性較好、損耗較小的CBB電容［3］。本文設(shè)計(jì)的功率器件開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz，考慮到系統(tǒng)裕量，經(jīng)計(jì)算與綜合考慮，選擇輸入濾波電容C1=220 uF，濾波電感L=0.8 mH，濾波電容C2=100 uF。

3 控制電路結(jié)構(gòu)

控制電路主要包含:信號(hào)檢測(cè)電路、保護(hù)電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路、參數(shù)顯示電路四個(gè)部分，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。控制核心PIC16F877A單片機(jī)是PIC系列8位精簡(jiǎn)指令集(RISC)單片機(jī)、內(nèi)置8 K字節(jié)在線系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、256字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)器、可編程的看門狗定時(shí)器、8通道10位ADC，程序可實(shí)現(xiàn)在線可編程，便于產(chǎn)品升級(jí)和維護(hù)［4－5］。該控制系統(tǒng)中對(duì)光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤、充放電控制及過(guò)程轉(zhuǎn)換都是由單片機(jī)來(lái)處理，處理完輸出的PWM信號(hào)來(lái)控制Buck電路的開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電控制［6－7］。

圖3 充放電管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4 充電控制策略［8］

對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)，由于太陽(yáng)能電池組件輸出特性曲線的非線性特點(diǎn)，且日照時(shí)間無(wú)法人為調(diào)節(jié)，蓄電池充電很難達(dá)到高效利用的目的，為改善蓄電池的充電效率，本文考慮采用三階段充電控制策略。在快充階段，若充電電流小于限定電流值，采用最大功率點(diǎn)跟蹤策略，反之則減小占空比保證充電電流等于限流電流，這個(gè)階段要求將蓄電池充電到80%～90%的額定容量，最大限度地利用光伏電池的能量。在恒壓過(guò)充階段，采用PI調(diào)節(jié)的恒壓充電，若輸出電壓大于限定值減小占空比，否則增大占空比，這個(gè)階段可以將蓄電池充電到97%的額定容量。在浮充階段，采用帶PI調(diào)節(jié)的第二級(jí)恒壓充電，這個(gè)過(guò)程是為了給蓄電池一個(gè)很小的電流，以補(bǔ)充蓄電池自放電的損失，電池可以長(zhǎng)期處于此狀態(tài)下。

4.1 快充階段的最大功率點(diǎn)控制策略

采用電導(dǎo)增量法，由光伏陣列某一固定PV曲線可知最大值點(diǎn) Pmax處的斜率為零，所以有:

以上即為要達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，陣列工作于最大功率點(diǎn)。若不相等，則要判斷dP/dV是大于零或小于零。該控制方法的程序流程如圖4所示。圖4中，Vn、In為新檢測(cè)的電壓、電流值，Vb、Ib為原存儲(chǔ)器中的舊值。程序讀進(jìn)新值后先計(jì)算與舊值之誤差，再判斷電壓差值是否為零?(因后面做除法時(shí)分母不得為零)若為零則再判斷電流差值是否為零?若都為零則表示阻抗一致，擾動(dòng)值D值不變。若電壓差值為零，電流差值不為零，則表示照度有變化，電流差值大于零D值增加;電流差值小于零D值減少。再來(lái)討論電壓差值不為零時(shí)，式(3)是否成立將是關(guān)鍵;若成立則表示功率曲線斜率為零(達(dá)最大功率點(diǎn))，若電導(dǎo)變化量大于負(fù)電導(dǎo)值，則表示功率曲線斜率為正，D值將增加;反之D值將減少。

電導(dǎo)增量法對(duì)于傳感器的精度要求比較高，這里采用高精度霍爾傳感器，對(duì)光伏電池的電壓和電流進(jìn)行采樣，通過(guò)比較光伏電池的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來(lái)改變控制信號(hào)。電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度快，適用于大氣條件變化較快的場(chǎng)合。

圖4 電導(dǎo)增量法程序流程圖

圖5 蓄電池充電流程圖

4.2 過(guò)充和浮充階段的PI調(diào)節(jié)

檢測(cè)蓄電池的充電端電壓，當(dāng)其達(dá)到過(guò)充電壓時(shí)，調(diào)用過(guò)充子程序。蓄電池的過(guò)充是對(duì)快充階段的一個(gè)補(bǔ)充，使蓄電池的容量盡可能恢復(fù)到滿。在這個(gè)階段，要不斷檢測(cè)蓄電池的端電壓，使之保持穩(wěn)定，因此，需要建立一個(gè)電壓環(huán)進(jìn)行反饋。為了提高控制的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，采用數(shù)字比例積分PI控制器。根據(jù)采樣得到的蓄電池端電壓，將之與期望電壓進(jìn)行比較，得到比較差值ΔU。對(duì)差值ΔU進(jìn)行比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的控制，得到MOSFET的占空比的變化量ΔD，進(jìn)而得到下一步的控制占空比，從而使蓄電池電壓恒定。

在蓄電池過(guò)充階段，檢測(cè)蓄電池的充電電流。當(dāng)充電電流減小至浮充轉(zhuǎn)換門限值時(shí)，過(guò)充截止，此時(shí)可認(rèn)為蓄電池已充滿，轉(zhuǎn)入浮充階段。浮充的目的是為了給蓄電池一個(gè)很小的電流，以補(bǔ)充蓄電池自放電的損失。在浮充階段，PI調(diào)節(jié)的目的是使蓄電池電壓穩(wěn)定在浮充電壓。由于蓄電池的浮充電壓精確與否，對(duì)蓄電池的使用壽命有非常大的影響，所以要求浮充電壓的波動(dòng)很小。

本文以對(duì)12 V鉛酸蓄電池充電為例，設(shè)定恒壓過(guò)充電壓為14.5V，浮充電壓為13.8V，整個(gè)蓄電池的充電控制策略流程圖如圖5所示。

5 充電實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)使用的蓄電池為松下閥控式密封鉛酸蓄電池LC－R127，其額定輸出電壓為12 V，額定容量為7 Ah。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。圖6為蓄電池充電1.5 h的波形，1為蓄電池端電壓，2為蓄電池充電電流(充電電流在數(shù)值上和串聯(lián)在蓄電池回路中檢測(cè)電阻上的電壓相等)，3為開(kāi)關(guān)管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

由表1可知，當(dāng)恒流充電5 h后，進(jìn)入恒壓充電階段。恒流充電電流范圍在1.24～1.16 A之間，相差0.08A，表明在恒流充電階段電流變化不顯著，電流穩(wěn)定性較好。在恒壓充電階段，蓄電池兩端電壓變化為14.5～14.4 V，相差0.1 V，可見(jiàn)在恒壓充電階段電壓基本不變化，電壓穩(wěn)定性較好。充電7 h后，蓄電池已進(jìn)入浮充階段，實(shí)測(cè)的浮充電壓為13.7 V和給定的13.8 V相差0.1 V，符合要求。由表格和分析可知，該充電器很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏電池的三段式充電，且具有較好的過(guò)充和浮充精度。

圖6 蓄電池充電時(shí)的波形

表1 LC－R127鉛酸蓄電池充電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表

6 結(jié)語(yǔ)

在環(huán)境危機(jī)、能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。而由于光伏系統(tǒng)中能量的不確定性和蓄電池使用條件的特殊性，造成蓄電池成為影響整個(gè)光伏系統(tǒng)壽命的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也成為阻礙光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。這就要求有一個(gè)合理的充放電控制策略，在充分利用太陽(yáng)能陣列能量的同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行高效的管理，延長(zhǎng)光伏系統(tǒng)中蓄電池的使用壽命。本文所提出的充電控制策略較好的滿足了上述要求，且該控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比較高，在中小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中有突出優(yōu)勢(shì)。

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